我國6～66kV的中壓配電網(wǎng)系統(tǒng)大多采用小電流接地方式。小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，非故障相對地電壓升高為線電壓，若發(fā)生間歇性弧光接地則會引起電弧接地過電壓，長時間的運行還會導致故障點的增多，進而引發(fā)相間短路，使電力系統(tǒng)安全受到嚴重的威脅。因此，單相接地故障選線定位問題是供電部門的一個長期困擾，目前尚無非常完備有效的解決方案。

現(xiàn)有的接地故障分析處理方法多是僅有理論分析或基于仿真數(shù)據(jù)，這些研究與實際測量得到的數(shù)據(jù)分析結(jié)果有較大的出入，使得故障診斷判據(jù)在實際應(yīng)用中還不是很理想。文獻[4]提出了一種基于暫態(tài)零序電流數(shù)據(jù)動態(tài)時間彎曲距離的小電流接地故障區(qū)段定位方法，故障定位效率較高。

文獻[5]通過建立網(wǎng)絡(luò)樹狀圖和可疑故障區(qū)域，利用改進D-S證據(jù)理論得到故障區(qū)域，融合多樣信息，提高定位準確性。文獻[6]在大數(shù)據(jù)在電力系統(tǒng)應(yīng)用方面介紹了配電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的各個技術(shù)環(huán)節(jié)，并預測了不同的應(yīng)用場景。文獻[7]基于公共信息模型建立了智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)統(tǒng)一應(yīng)用架構(gòu)，實現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合。這些研究目前主要停留在理論階段，本文將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于小電流接地系統(tǒng)接地故障檢測，以尋求一種新的數(shù)據(jù)處理方法對故障數(shù)據(jù)進行診斷分析。

近年來，隨著信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)技術(shù)迅速發(fā)展成為各國科技界關(guān)注的熱點，它是融合物理世界、信息空間和人類社會三元世界的紐帶。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展，它在互聯(lián)網(wǎng)、金融、物流等領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用，在電力行業(yè)中大數(shù)據(jù)技術(shù)也在逐步進入發(fā)展階段，其中受到廣泛關(guān)注的就是利用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析預測電網(wǎng)故障。

電力系統(tǒng)運行過程中會產(chǎn)生大量運行數(shù)據(jù)，逐漸構(gòu)成電力大數(shù)據(jù)，其關(guān)注重心在于數(shù)據(jù)背后的信息沉淀與業(yè)務(wù)分析。隨著技術(shù)的發(fā)展，電力用戶側(cè)數(shù)據(jù)呈指數(shù)級增長，逐步構(gòu)成用戶側(cè)大數(shù)據(jù)。對電力大數(shù)據(jù)進行分析處理，可以得到系統(tǒng)發(fā)生故障時電量數(shù)據(jù)的變化情況，進而得到故障發(fā)生的誘因及判據(jù)，以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)故障的預測，減少電力用戶的損失，保證電力系統(tǒng)的可靠運行和用戶的用電安全和質(zhì)量。

進行電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析需要建設(shè)相應(yīng)的故障數(shù)據(jù)庫，并且對與之相配合的存儲、數(shù)據(jù)處理與管理也有很高的要求，因此需要搭建大數(shù)據(jù)分析平臺。本文針對電力系統(tǒng)中最常見的小電流單相接地故障搭建了大數(shù)據(jù)分析平臺，提出了單相接地故障大數(shù)據(jù)分析平臺的應(yīng)用框架，著重討論了此分析平臺中數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與建設(shè)思路。最后以某變電站實際錄波數(shù)據(jù)為實例，驗證了本文所構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫的工程可行性，為后續(xù)故障數(shù)據(jù)分析并進行在線故障診斷奠定基礎(chǔ)，具有很好的推廣價值。

1 基于故障錄波器的接地故障數(shù)據(jù)獲取

1.1 故障指示器介紹

接地故障錄波分析系統(tǒng)如圖1所示。主要由故障指示器、無線通信網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)主站等構(gòu)成。故障指示器分別安裝在每條線路的ABC三相上，電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，故障點附近桿塔的故障指示器記錄波形數(shù)據(jù)，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)上傳到系統(tǒng)主站，系統(tǒng)主站處理每個故障指示器上傳的錄波數(shù)據(jù)，完成對配網(wǎng)線路的故障檢測和定位。

故障指示器是饋線自動化的重要終端設(shè)備，配電網(wǎng)在運行時會產(chǎn)生大量原始數(shù)據(jù)，錄波型故障指示器（故障錄波器）的主要任務(wù)是當系統(tǒng)發(fā)生短路故障、系統(tǒng)振蕩、頻率崩潰等大擾動后，自動記錄擾動發(fā)生前后的系統(tǒng)電量，如系統(tǒng)電壓、電流以及系統(tǒng)頻率等，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。故障錄波器是評價繼電保護動作行為及分析設(shè)備故障性質(zhì)和原因的重要依據(jù)，對于保證電力系統(tǒng)安全運行和提高電能質(zhì)量起到了重要的作用。

圖1 接地故障錄波分析系統(tǒng)

圖2 故障錄波器基本結(jié)構(gòu)

隨著配電網(wǎng)線路拓撲結(jié)構(gòu)日益復雜，故障指示器安裝數(shù)量也日益增多，每臺故障指示器獲取的波形數(shù)量也十分龐大，除實時故障錄波數(shù)據(jù)外，還存在大量歷史數(shù)據(jù)，均可用于接地故障診斷判據(jù)的推導，符合種類多、體量大等大數(shù)據(jù)的特征。

1.2 數(shù)據(jù)分類

對于本文中小電流接地系統(tǒng)單相接地故障數(shù)據(jù)的特點，可將數(shù)據(jù)大致分為兩類：靜態(tài)數(shù)據(jù)與動態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)主要是指記錄后不再變化的數(shù)據(jù)，主要包括輸配電線路拓撲結(jié)構(gòu)、線路參數(shù)信息等。動態(tài)數(shù)據(jù)指進行實時采集的數(shù)據(jù)，如故障指示器采集到的電流、電壓等。

針對小電流接地系統(tǒng)接地故障數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，可以將動態(tài)數(shù)據(jù)作為主評數(shù)據(jù)，可保證數(shù)據(jù)更新的即時性與在線故障檢測的實時性；將靜態(tài)數(shù)據(jù)作為故障檢測的參量屬性，保證故障判別的準確性。

1.3 錄波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

本文以湖南某地區(qū)變電站實錄數(shù)據(jù)為例介紹數(shù)據(jù)提取方法。不同型號的故障錄波器的通信規(guī)則以及數(shù)據(jù)記錄格式不統(tǒng)一，但目前新型錄波器已采用標準數(shù)據(jù)記錄格式，規(guī)約也有相應(yīng)轉(zhuǎn)換軟件進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，能夠與后續(xù)的故障分析設(shè)備交互數(shù)據(jù)。

故障錄波文件采用COMTRADE格式，這是IEEE標準中電力系統(tǒng)暫態(tài)數(shù)據(jù)交換的通用格式，每一個COMTRADE文件均含有四個文件，分別存儲文件標題（Header，后綴為.hdr）、配置（Configuration，后綴為.cfg）、數(shù)據(jù)（Data，后綴為.dat）以及信息（Information，后綴為.inf）。

其中，對后續(xù)數(shù)據(jù)提取及存儲作用較大的cfg與dat文件，cfg文件為一種ASCII文本文件，用來描述dat文件的格式，如采樣通道信息、采樣速率、采樣時間等；而dat文件對應(yīng)相應(yīng)的cfg文件，存儲每個通道采樣及開關(guān)量數(shù)據(jù)，包括對應(yīng)的標志。

由于數(shù)據(jù)（.dat）文件是以二進制存儲數(shù)據(jù)，研究人員無法直觀看出相應(yīng)電量及參數(shù)信息。本文利用python軟件編寫的批量轉(zhuǎn)換程序，將十六進制故障錄波數(shù)據(jù)批量轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)據(jù)格式，供后續(xù)數(shù)據(jù)存儲以及分析。

2 接地故障大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)

接地故障大數(shù)據(jù)需要建立在大數(shù)據(jù)處理平臺之上，大數(shù)據(jù)處理平臺為數(shù)據(jù)集成、存儲、分析等提供基礎(chǔ)平臺和技術(shù)支撐。大數(shù)據(jù)平臺對信息安全性要求高，人機交互頻繁，數(shù)據(jù)邏輯性復雜，集成管理平臺需接入各類高級應(yīng)用軟件。圖3所示為本文建立的小電流單相接地故障大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)。

圖3 小電流單相接地故障大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)

其中數(shù)據(jù)集成為解決不同電力公司各個部門之間的數(shù)據(jù)不融合問題，要搭建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型來存儲及管理各地區(qū)故障錄波數(shù)據(jù)，逐步實現(xiàn)各電力業(yè)務(wù)部門間的數(shù)據(jù)交互和對數(shù)據(jù)的實時采集工作。

數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用是大數(shù)據(jù)實驗平臺的核心部分，通過對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的在線及離線分析，實現(xiàn)故障檢測及預測服務(wù)，減少電網(wǎng)故障對用戶造成的影響。同時，平臺含有管理部門，通過資源調(diào)度、安全管理等實現(xiàn)對大數(shù)據(jù)平臺的監(jiān)測與管理。

3 配電網(wǎng)單相接地故障數(shù)據(jù)庫架構(gòu)設(shè)計

通過建立小電流單相接地故障數(shù)據(jù)庫可以更加有針對性的對大數(shù)據(jù)平臺各個模塊間的關(guān)系進行描述，使平臺更加簡化，令電網(wǎng)故障檢測與維護更加易于實現(xiàn)。以下將針對上述單相接地故障大數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)庫的設(shè)計構(gòu)建進行闡述。

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計原則

根據(jù)實際需求分析，本文中的配電網(wǎng)單相接地故障數(shù)據(jù)庫不僅包含故障電量數(shù)據(jù)，即上文中提及的動態(tài)數(shù)據(jù)；也包含故障線路參數(shù)數(shù)據(jù)，即上文中提及的靜態(tài)數(shù)據(jù)。

故障電量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量大，確定性較強，含有較多重復、冗余、錯誤數(shù)據(jù)，因此對數(shù)據(jù)的清洗篩選以及存儲管理是關(guān)鍵問題。同時，此類數(shù)據(jù)會隨著時間推移不斷增多，數(shù)據(jù)的增減、同步等也是數(shù)據(jù)庫設(shè)計建設(shè)時需要著重考慮的問題。

故障線路參數(shù)數(shù)據(jù)，一旦輸入后基本無需改動，包括變電站的線路拓撲結(jié)構(gòu)和各條線路上的元件參數(shù)及故障類型等信息，數(shù)據(jù)來源多樣復雜，不一致性強，格式變化多，不同故障線路中得到的參數(shù)區(qū)別較大，在故障數(shù)據(jù)庫設(shè)計中需要著重考慮不同數(shù)據(jù)來源之間的數(shù)據(jù)融合統(tǒng)一問題。

配電網(wǎng)單相接地故障數(shù)據(jù)庫針對性強，主要存儲對小電流單相接地故障存在較顯著影響的電網(wǎng)電量參數(shù)及線路參數(shù)信息，減小了數(shù)據(jù)庫規(guī)模，為之后的數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)庫移植等操作提供便利。

根據(jù)現(xiàn)場實錄數(shù)據(jù)的特點與設(shè)計目標，制定本數(shù)據(jù)庫的設(shè)計基本思路：

• 1）消除故障數(shù)據(jù)中冗余、錯誤的部分，保證數(shù)據(jù)查詢準確快捷。
• 2）留出一定的備用列，可供增加電網(wǎng)參量等。
• 3）根據(jù)數(shù)據(jù)類型分表存儲數(shù)據(jù)，表間有一定的連接規(guī)則，便于實現(xiàn)管理與后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

3.2 具體設(shè)計方案

根據(jù)上述數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本思路，在“配電網(wǎng)單相接地故障數(shù)據(jù)庫”設(shè)立三個表，依據(jù)數(shù)據(jù)類型進行分類存儲。

1）測量值表

主要存儲故障波形數(shù)據(jù)的電量數(shù)據(jù)，包括三相電壓、線電壓、零序電壓、零序電流以及變電站名稱、線路名稱、錄波時間和具體的測量采樣時間點，此外也預留了3個備用通道用于添加字段。

由此可以在不同變電站線路與錄波時間變化的情況下，根據(jù)采樣測量時間點，查找出不同采樣點下的電量數(shù)據(jù)。選取“變電站名稱”、“線路名稱”、“錄波時間”、“測量時間點”4條字段為聯(lián)合主鍵，可以惟一確定出電壓電流值。

2）線路參數(shù)表

由于不同變電站、不同線路之間各項參數(shù)的不同，設(shè)置線路參數(shù)表來存儲各項參數(shù)信息，也需存儲不同故障數(shù)據(jù)對應(yīng)的故障類型等靜態(tài)數(shù)據(jù)，主要包括過渡電阻、中性點接地方式、負載、故障類型等信息，為查詢方便，此表中也需包含“變電站名稱”、“線路名稱”、“錄波時間”3條字段為復合主鍵。

由于在實際錄波文件中經(jīng)常會缺失一些線路參數(shù)數(shù)據(jù)，故部分字段內(nèi)值置空，待獲取到相關(guān)信息后可人工手動輸入，完善數(shù)據(jù)庫。同樣預留兩個備用字段用于更新添加相關(guān)線路故障信息。

3）線路拓撲表

用于存儲不同變電站內(nèi)的拓撲結(jié)構(gòu)，為存儲方便，僅存儲某條線路的上游及下游地點（線路名稱），再根據(jù)上下游地點的線路名稱再次在表中查找上游及下游線路名稱，由此循環(huán)得到不同變電站的拓撲結(jié)構(gòu)，通過程序查找、畫圖，可顯示出變電站的拓撲結(jié)構(gòu)圖。

設(shè)置“變電站名稱”和“線路名稱”為復合主鍵。此表中的相關(guān)數(shù)據(jù)由獲得相關(guān)變電站的線路分布信息后，由人工手動錄入數(shù)據(jù)庫，若無特殊情況，一經(jīng)錄入就不再修改，不需更新。

為在三表之間建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，選取“測量值表”為三表中的父表，“線路參數(shù)表”和“線路拓撲表”為子表，在父表中建立外鍵約束，由“變電站名稱”字段和“線路名稱”字段作為聯(lián)合外鍵，共同關(guān)聯(lián)至子表，如圖4所示。

當輸入需要查詢的變電站、線路和錄波時間后，即可查詢出目標時刻的故障電量信息和相關(guān)的線路參數(shù)及線路拓撲結(jié)構(gòu)信息，為下一步的故障數(shù)據(jù)分析打下基礎(chǔ)。

“線路參數(shù)表”與“拓撲結(jié)構(gòu)表”作為線路的靜態(tài)信息，不需實時更新，已預先存入。調(diào)取故障數(shù)據(jù)的必須項目為“變電站名稱”、“線路名稱”和“錄波時間”，即可得到目標故障的所有相關(guān)信息。

圖4 表間關(guān)系

3.3 數(shù)據(jù)前期準備

初始錄波數(shù)據(jù)不僅存在格式問題，也存在冗余、錯誤或者缺失的問題，在存入數(shù)據(jù)庫之前需進行數(shù)據(jù)清理工作，即數(shù)據(jù)ETL（extract-transform-load）。

根據(jù)數(shù)據(jù)庫設(shè)計要求，本文擬采用的ETL流程如圖5所示。從數(shù)據(jù)庫中建立特定接口，抽取原始文件數(shù)據(jù)。由于原始錄波以COMTRADE格式記錄，根據(jù)1.3節(jié)中的錄波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法，利用python編寫轉(zhuǎn)換程序，得到十進制數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行清洗，去除數(shù)據(jù)噪聲，修正缺損數(shù)據(jù)，通過系列拆分匯總，按數(shù)據(jù)內(nèi)容進行分類，形成可供分析的數(shù)據(jù)，最后利用數(shù)據(jù)加載工具或API編程將處理后的數(shù)據(jù)加載到建立的目標數(shù)據(jù)庫中，以供后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理。

圖5 ETL流程

4 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用實例（略）

4.1 故障錄波數(shù)據(jù)篩選

以湖南省某地區(qū)變電站實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進行小電流單相接地故障數(shù)據(jù)庫的搭建工作。

4.2 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計與搭建

根據(jù)變電站實測數(shù)據(jù)特點及上文討論的數(shù)據(jù)庫搭建構(gòu)想，搭建了單相接地故障數(shù)據(jù)庫。本項目選取MySQL為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，Navicat為數(shù)據(jù)庫管理軟件。本數(shù)據(jù)庫建設(shè)過程中，將線路拓撲結(jié)構(gòu)這一非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲，從而大大減少了數(shù)據(jù)庫的復雜程度，簡化了開發(fā)工作。

4.3 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用服務(wù)

1）數(shù)據(jù)查詢與可視化

數(shù)據(jù)可視化是將有用數(shù)據(jù)展現(xiàn)出來，從不同的維度觀察數(shù)據(jù)，從而對數(shù)據(jù)進行更深入的分析。因此為增強數(shù)據(jù)可讀性以及更加直觀向用戶展示故障實錄波形數(shù)據(jù)，還需制作用戶界面實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。

其主要內(nèi)容是讀取用戶端輸入的變電站名稱、線路名以及錄波時間三個必填項，程序?qū)⒆詣诱{(diào)取數(shù)據(jù)庫內(nèi)存儲的相應(yīng)數(shù)據(jù)，根據(jù)表間關(guān)聯(lián)規(guī)則以波形結(jié)果顯示，并向用戶展示相關(guān)線路的線路拓撲及線路參數(shù)等信息。

2）數(shù)據(jù)分析

根據(jù)獲取的現(xiàn)場實錄數(shù)據(jù)，利用python語言進行算法設(shè)計，對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進行處理，通常先將數(shù)據(jù)進行標準化，使得來源不同的數(shù)據(jù)具有相同的數(shù)量級和合適的幅值。

本項目后續(xù)將利用智能算法（如啟發(fā)式分割（BG）算法）對故障數(shù)據(jù)進行分析挖掘與多維度關(guān)聯(lián)分析，綜合得到波形中的故障特征及位置等信息，進而得到改進的小電流系統(tǒng)單相接地故障檢測與選線判據(jù)；同時將數(shù)據(jù)庫與更多高級應(yīng)用接口，實現(xiàn)對接地故障數(shù)據(jù)的在線分析與診斷。

結(jié)論

小電流接地系統(tǒng)的單相接地故障檢測一直是電力系統(tǒng)中亟待解決的問題，本文根據(jù)單相接地故障錄波數(shù)據(jù)特點，提出了小電流接地系統(tǒng)接地故障大數(shù)據(jù)分析平臺的設(shè)計方案，包含數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)挖掘及數(shù)據(jù)應(yīng)用等模塊，各個模塊間根據(jù)不同業(yè)務(wù)要求進行配合，并選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法。平臺具有數(shù)據(jù)集成、分析處理和管理運行等方面的功能。

本文著重論述了大數(shù)據(jù)平臺中故障數(shù)據(jù)庫的搭建工作，包括設(shè)計思路與該數(shù)據(jù)庫在實際電網(wǎng)中的應(yīng)用情況，提出的基于故障突變點的錄波數(shù)據(jù)篩選方法，可有效提高數(shù)據(jù)庫分析效率。